可顯示啟動信號的壓力激髮式起爆裝置的製作方法

2023-06-28 21:31:36 3

專利名稱：可顯示啟動信號的壓力激髮式起爆裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於石油、天然氣的開採作業領域，主要涉及油管傳輸加壓起爆 射孔作業使用的壓力起爆裝置。技術背景油氣井射孔用的壓力起爆器，其擊發能量來自於液流體所產生的壓力。 這種液流體壓力由兩部分構成 一是井下液體本身受到的地球引力；二是人 為地由井口施加的氣體壓力或液體壓力。壓力起爆器的作用原理是起爆器 隨射孔管串通過油管下入到目的層，壓力起爆器首先經受到井筒內液體壓力 的作用，並保持安全狀態(不發火)；經過校深調整管串後，從地面井口處開 始向井內加壓，通過液流體將施加的壓力傳遞到起爆器的承壓銷釘上，當井 內的液體壓力與井口外加壓力之和大於其承壓銷釘的剪切閾值時，承壓銷釘 被剪斷，使擊針運動並撞擊爆炸組件發火，完成起爆功能。 一般將剪斷承壓 銷釘的啟動信號作為壓力起爆的發火信號。承壓銷釘的剪斷壓力為壓力激發 式射孔的起爆壓力，承壓銷釘剪斷瞬間的時間為壓力激髮式射孔的起爆時間。在地面加壓起爆施工中，要求壓力起爆器的承壓銷釘被剪斷時，立即停 止加壓(即關閉加壓泵)，以保證井口設備的安全，最大限度的實現負壓射孔。 因此，從地面井口判斷壓力起爆器中的承壓銷釘是否被剪斷也就成為施工操 作中的一個重要環節。理論上講，利用地面井口安裝的壓力表可以判斷承壓 銷釘的狀態，因為在加壓過程中，井內的壓力呈上升趨勢，這種壓力變化被 放置在套管或油管內的壓力探頭所感知，並通過井口壓力表頭的錶針來指示。 當承壓銷釘被剪斷後，承壓活塞向下運動，套管或油管內的壓力就會下降， 這時壓力探頭會將這種壓力下降的變化傳遞到壓力表頭，壓力表頭的錶針就會產生回擺，通過觀察錶針的回擺來判斷壓力起爆器的承壓銷釘是否被剪斷。 但在實際作業中，由於地面井口加壓泵的大壓力跳動和強噪音幹擾，且壓力 起爆器的活塞直徑和運動行程過小，導致壓力傳感器傳遞的壓力降峰值太小， 壓力表的錶針無回擺或回擺難以觀察，因而在絕大多數施工中根本得不到壓 力傳感器的壓力降數據，操作人員也看不見壓力表的錶針變化。以往，為了保證起爆器可靠發火，只能憑操作人員的經驗， 一般規定井 口加壓值等於承壓銷釘理論剪切值加上一個可靠剪斷係數，當壓力表達到規 定值時，就關閉加壓泵車。可這樣的做法又會導致兩種現象 一種現象是還 未加壓到規定值時，壓力起爆器就已經發火，地面井口操作人員也未聽到射 孔槍的爆炸聲，繼續加壓到規定值時才停止加壓，導致一些設備的損壞；第 二種現象是加壓到規定值後關閉了加壓泵車，而壓力起爆器的承壓銷釘確沒 有剪斷，操作人員進行後續作業後再返工，造成經濟和時間上的浪費。另外，如果得不到起爆器的發火信號，就無法確定起始點，也就不能準 確判定壓力起爆過程的起爆壓力和起爆時間。而起爆時間是壓力激髮式射孔管串中延期裝置點火延期時間的起始點；起爆壓力是評價射孔安全性和起爆可靠性的重要參數。如果沒有這些準確的起爆壓力和起爆時間，那麼射孔新 技術的推廣，以及質量事故分析會存在許多困難。正是這些問題，影響了壓 力起爆器的使用效果，也制約了很多新技術的發展。發明內容本發明要解決的技術問題是，針對加壓起爆施工過程中，在地面井口很 難準確判斷壓力起爆器承壓銷釘是否被剪斷的問題，提供一種可顯示啟動信 號的壓力激髮式起爆裝置，具體地說，該裝置可以放大承壓銷釘被剪斷時的 壓力降峰值，使得壓力表的錶針產生大幅度回擺，而且可以通過地面井口壓力表明顯反映出其承壓銷釘被剪斷的時刻點。為解決上述技術問題，本發明給出的可顯示啟動信號的壓力激髮式起爆裝置包括壓力洩放組件、壓力起爆器；所述的壓力洩放組件含有洩壓腔、緩衝沉砂筒、洩壓閥、緩衝防砂筒、若干密封圈，所述洩壓腔為筒狀體且筒體 兩頭均帶有密封面；所述洩壓閥含有洩壓閥本體、活塞、活塞套筒、第一承 壓銷釘，洩壓閥本體為筒狀體，其內外壁上均設有密封槽，活塞和活塞套筒 上均設有相互對應的銷釘孔，所述第一銷釘的剪切值等於射孔作業層的液柱 壓力與地面井口的外加壓力之和，活塞通過所述第一承壓銷釘固連在活塞筒 內且通過第一密封圈密封，活塞套筒位於洩壓閥本體內且兩者之間通過第二 密封圈密封，所述緩衝沉砂筒和所述緩衝防砂筒分別固連在所述洩壓閥本體的兩端；所述洩壓腔的兩端分別與所述洩壓閥本體、所述壓力起爆器的本體 固連，且兩個連接埠分別通過第三、第四密封圈密封；在所述壓力起爆器 中，連接起爆器活塞和起爆器活塞套筒的第二承壓銷釘的剪切值小於或等於 射孔作業層的液柱壓力。根據本發明，所述第一承壓銷釘為一組，其組內第一承壓銷釘可以是直 徑和承壓指標完全一樣的多個銷釘，並根據射孔目的層的深度來選擇所用第 一承壓銷釘的數量，也可以是直徑和承壓指標完全不同的多個銷釘，並根據 射孔目的層的深度來選擇某一個第一承壓銷釘；所述活塞和活塞套筒上的銷 釘孔也為一組，銷釘孔的直逕取決於本發明所配置的第一承壓銷釘的規格。根據本發明，所述的洩壓腔採用優質40CrCo鋼材製作，其與洩壓閥本體 以及壓力起爆器本體連接後的耐壓指標大於120MPa;所述的若干密封圈均採 用氟橡膠材料製作並耐溫25(TC;所述的第一承壓銷釘採用20Cr鋼製作。本發明是由已有技術中的壓力起爆器和一個含有洩壓閥和洩壓腔的壓力 洩放組件構成，由於洩壓閥中第一承壓銷釘的剪切值是根據射孔作業層的液 柱壓力和地面井口的外加壓力來確定的，因此，當本發明隨射孔管串下到射 孔作業層後，並通過地面井口的施壓使油管內的壓力達到第一承壓銷釘的剪 切值時，第一承壓銷釘被剪斷，導致活塞被釋放。當活塞運動到緩衝沉砂筒 後，油管中的液體也通過緩衝沉砂筒的緩衝孔流進洩壓腔，使油管中連續升 高的壓力中斷，同時又因洩壓腔的空間是一定的，液體通過緩衝沉砂筒的緩 衝孔流滿洩壓腔時間是3-12秒，因而導致油管中的壓力迅速下降並持續大約3-12秒時間，在此期間地面井口壓力表的錶針就會出現大幅回擺且幾乎歸零， 這樣，地面井口處的操作人員就很容易判斷出第一承壓銷釘被剪斷，並立即 關閉加壓泵車。與此同時，流入到洩壓腔中的液體又通過壓力起爆器的緩衝 防砂筒作用到起爆器活塞上，由於壓力起爆器中的第二承壓銷釘的剪切值小 於或等於射孔作業層的液柱壓力，因此，到當液體注滿洩壓腔時，就會立即 剪斷第二承壓銷釘，起爆器活塞被釋放並在井內液柱壓力作用下帶動擊針撞 擊爆炸組件發火併引爆射孔槍，由此完成射孔作業。由於本發明從第一承壓銷釘剪斷、液體充滿洩壓腔到起爆裝置發火的時 間很短，因此第一承壓銷釘剪斷時的啟動信號就是壓力起爆裝置的發火信號，壓力表的錶針產生大幅回擺前的最大表壓就是該起爆裝置的起爆壓力；壓力 表的錶針產生大幅回擺瞬間的時間加上液體充滿洩壓腔的時間是該起爆裝置 的精確起爆時間，但由於液體充滿洩壓腔的時間很短，在壓力激髮式射孔工 藝時間精度範圍內，所以壓力表的錶針產生大幅回擺瞬間的時間就是該起爆 裝置的起爆時間。不難看出，本發明很好地解決了油井加壓起爆施工中及時 停止加壓和可靠起爆的技術問題，不僅杜絕了因加壓不恰當帶來的設備損壞 或施工返工等現象，而且也為壓力起爆器開拓新的應用領域奠定了基礎。


圖1是本發明可顯示啟動信號的壓力激髮式起爆裝置總體構成示意圖。圖2是圖1中所示的壓力洩放組件的構成示意圖。圖3是圖1中所示洩壓腔的零件圖。圖4是採用分體活塞和活塞套筒的洩壓閥結構示意圖。圖5是圖4中所示的洩壓閥本體結構示意圖。圖6是圖1中所示的壓力起爆器的構成示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及優選實施例對本發明作進一步的詳述。正如圖1所示，本發明優選實施例包括壓力洩放組件1和壓力起爆器2兩部分。根據圖2所示，壓力洩放組件l由洩壓腔3、緩衝沉砂筒4、洩壓閥、 緩衝防砂筒5、密封圈10、 11、 12構成。洩壓腔3(參見圖3)選用優質40CrMnMo 鋼製作，其兩端設有內螺紋和密封面。緩衝防砂筒5為一端帶底一端敞口的 筒體，選用45號鋼製作，其筒底附近設有三排且每排十二個緩衝孔，筒口處 設有外螺紋，其作用是將油管內的鐵鏽、砂石等贓物給過濾掉，減少下井過 程中因受到下放速度、井口加水和遇阻等因素影響導致油管內的瞬間壓力增 大，提前剪斷第一承壓銷釘，造成誤射孔的事故發生。緩衝沉砂筒4也為一 端帶底一端敞口的筒體，選用45號鋼製作，其筒口設有外螺紋，而且緊鄰外 螺紋的筒壁上還設有三排且每排十二個緩衝孔，其主要作用是再次過濾進入 洩壓腔3的液體和減緩液體壓力對壓力起爆器的衝擊。緩衝沉砂筒4和緩衝 防砂筒5中的緩衝孔直徑均為(J)3mm。洩壓閥含有洩壓閥本體8、活塞6、活 塞套筒7、第一承壓銷釘9。活塞6和活塞套筒7的材料均為鋼T8或T10，兩 者均設有相互對應的銷釘孔且活塞6和活塞套筒7的外壁上均設有密封槽， 活塞6通過第一承壓銷釘9固連在活塞套筒7內。根據裝配的實際需要，活 塞6可以是一體的也可以是分體的，如圖4就示出了採用分體活塞的實例。 根據圖中所示，活塞6分為洩壓活塞6-l和承壓活塞6-2，活塞套筒7分為洩 壓活塞套筒7-1和承壓活塞套筒7-2，密封槽設置在洩壓活塞6-1和洩壓活塞 套筒7-l上，而銷釘孔則設在承壓活塞6-2和承壓活塞套筒7-2上。為了滿 足不同目的層的射孔需要，本發明中所配備的第一承壓銷釘9為一組，而選 用時可分為兩種形式， 一種是多銷釘形式，另一種是單銷釘形式。所謂多銷 釘形式是指，根據施工所需要的剪切值而選用兩個或兩個以上規格相同即直 徑、承壓指標完全一樣的銷釘；而單銷釘形式是指根據施工所需要的剪切值， 在直徑和承壓指標均不相同的一組銷釘(一般配十個)中選擇一個滿足要求 的銷釘。為此，活塞6和活塞套筒7上所設定的銷釘孔的數量及其孔的直徑 應與所配備的第一承壓銷釘9的數量及規格相對應。如圖2所示的活塞6和活塞套筒7上設置了三排(每排八個，共二十四個)相同的銷釘孔，而圖4所示的分體活塞結構中，承壓活塞6-2和承壓活塞套筒7-2上則設置了 10個 不同直徑的銷釘孔，其中，五個銷釘孔與圖面平行，而另外五個銷釘孔則與 圖面垂直。所配備的第一承壓銷釘9全部選用HPb — 59黃銅料製作。所選第 一承壓銷釘9的剪切值應等於射孔作業層的液柱壓力與地面井口的外加壓力 之和。洩壓閥本體8 (參見圖5)為不帶底的筒狀體並選用40CrMnMo優質鋼 材精加製作，其輸入端8A和輸出端8B均設有內螺紋和外螺紋，其中輸入端 8A的外螺紋為標準油管扣。洩壓閥本體8的外壁上還設有密封槽，其筒內的 中間結構應根據活塞6以及活塞套筒7的具體形式而定。密封圈IO、 11、 12 均選用耐溫250°C的氟橡膠材料製作。活塞機構位於洩壓閥本體8的中間部位， 密封圈11套在活塞6-1或洩壓活塞6-2的密封槽中，密封圈12套在活塞套 筒7-1或洩壓活塞套筒7-2的密封槽中。緩衝防砂筒5和緩衝沉砂筒4的外 螺紋分別與洩壓閥本體8輸入端8A和輸出端8B的內螺紋連接。密封圈10套 在洩壓閥本8的密封槽中，洩壓閥本體8輸出端8B的外螺紋與洩壓腔3 —端 的內螺紋連接，洩壓閥本體8輸入端8A將與油管連接。根據圖6所示，壓力起爆器由緩衝裝置13、起爆器本體14、起爆器活塞 15、起爆器活塞套筒16、第二承壓銷釘17、擊針18、墊片19、發火件20、 用氟橡膠材料製作的密封圈21、22、23、24構成。起爆器本體14選用40CrMnMo 優質鋼材精加製作。第二承壓銷釘17均採用HPb — 59黃銅或20Cr鋼材料制 作，其剪切值應小於或等於射孔作業層的液柱壓力，第二承壓銷釘17在出廠 前己裝配好，使用中不必拆卸更換。起爆器活塞15和擊針18採用一體結構， 並在油管內的壓力作用下一起向下運動。起爆器活塞15和起爆器活塞套筒16 的外徑均有兩個密封槽，其上分別裝有密封圈23、 24，起爆器活塞15和起爆 器活塞套筒16通過兩個第二承壓銷釘17固定後，按擊針18朝向發火件20 的方向裝入起爆器本體14輸入端的內孔中，將緩衝裝置13擰入起爆器本體 14，使起爆器活塞15和起爆器活塞套16不能向緩衝裝置13方向運動。發火 件20擰入起爆器本體14輸出端的內孔中並通過密封圈21密封。密封圈22套在起爆器本體14上，起爆器本體14 一端的外螺紋與洩壓腔3另一端的內 螺紋連接；另一端的外螺紋則與射孔槍相連接。洩壓腔3分別與洩壓閥本體9 和起爆器本體14螺紋連接後的耐壓指標大於120MPa。本發明的工作原理和作用過程為在壓力起爆施工作業時，將本發明的 壓力洩放組件1和壓力起爆器2分別與油管和射孔槍連接而組成射孔管串。 當本發明隨射孔管串下放到目的層後，需從井口向套管或油管內加壓，與此 同時，油管內的液體通過緩衝防砂筒5的緩衝孔進入本發明中並作用於洩壓 閥，當油管內壓力大於洩壓閥中第一承壓銷釘9的剪切值時，第一承壓銷釘9 被剪斷並解脫對活塞6的約束，活塞6在井筒壓力的作用下向著緩衝沉砂筒4 的方向運動直至掉入後者。此後，油管內的液體沿著活塞套筒7流入緩衝沉 砂筒4中，又經其緩衝孔流入到洩壓腔3中，使油管中連續升高的壓力中斷 並開始下降，在油管內的壓力下降過程中，地面井口壓力表的錶針就會出現 大幅回擺且幾乎歸零，這樣，地面井口處的操作人員就很容易判斷出第一承 壓銷釘9被剪斷，並立即關閉加壓泵車。另一方面，地面井口停止加壓後， 油管裡的液體繼續向洩壓腔3洩放，流入到洩壓腔3中的液體又通過壓力起 爆器2的緩衝防砂裝置13作用到起爆器活塞上15，當洩壓腔3被油管中的液 體充滿時，會立即剪斷壓力起爆器2中的第二承壓銷釘17並釋放起爆器活塞 15，起爆器活塞15在油管的液柱壓力作用下帶動擊針18向下運動，撞擊發 火件20發火併引爆射孔槍。
權利要求
1. 一種可顯示啟動信號的壓力激髮式起爆裝置，包括壓力起爆器[2]，其特徵在於還包括壓力洩放組件[1]，所述的壓力洩放組件[2]含有洩壓腔[3]、緩衝沉砂筒[4]、洩壓閥、緩衝防砂筒[5]、若干密封圈[10、11、12]，所述洩壓腔[3]為筒狀體且筒體兩頭均帶有密封面；所述洩壓閥含有洩壓閥本體[8]、活塞[6]、活塞套筒[7]、第一承壓銷釘[9]，洩壓閥本體[8]為筒狀體，其內外壁上均設有密封槽，活塞[6]和活塞套筒[7]上均設有相互對應的銷釘孔，所述第一銷釘[9]的剪切值等於射孔作業層的液柱壓力與地面井口的外加壓力之和，活塞[6]通過所述第一承壓銷釘[9]固連在活塞筒[7]內並通過第一密封圈[11]，活塞套筒[7]位於洩壓閥本體[8]內且兩者之間通過第二密封圈[12]密封，所述緩衝沉砂筒[4]和所述緩衝防砂筒[5]分別固連在所述洩壓閥本體[8]的兩端；所述洩壓腔[3]的兩端分別與所述洩壓閥本體[8]、所述壓力起爆器[2]的本體固連，且兩個連接埠分別通過第三、第四密封圈[10、22]密封；在所述壓力起爆器[2]中，連接起爆器活塞[6]和起爆器活塞套筒[7]的第二承壓銷釘[9]的剪切值小於或等於射孔作業層的液柱壓力。
2. 根據權利要求l所述的壓力激髮式起爆裝置，其特徵在於所述第一 承壓銷釘[9]為一組，其組內第一承壓銷釘[9]可以是直徑和承壓指標完全一 樣的多個銷釘，並根據射孔目的層的深度來選擇所用第一承壓銷釘[9]的數 量；也可以是直徑和承壓指標完全不同的多個銷釘，並根據射孔目的層的深 度來選擇某一個第一承壓銷釘[9];所述活塞[6]和活塞套筒[7]上的銷釘孔也 為一組，銷釘孔的直逕取決於本發明所配置的第一承壓銷釘[9]的規格。
3. 根據權利要求1或2所述的壓力激髮式起爆裝置，其特徵在於所述 的洩壓腔[3]採用優質40CrCo鋼材製作，其與所述洩壓閥本體[8]以及所述壓 力起爆器[2]的本體連接後的耐壓指標大於120MPa;所述的若干密封圈[IO、 11、 12、 22]均採用氟橡膠材料製作並耐溫25(TC;所述的第一承壓銷釘[9] 採用20Cr鋼製作。
全文摘要
本發明公開了一種可顯示啟動信號的壓力激髮式起爆裝置，適用於油氣井壓力激髮式射孔工藝。該裝置在已有壓力起爆器的基礎上，增加了含有洩壓閥、洩壓腔的壓力洩放組件。當本發明所受到的井下液柱壓力和井口外加壓力之和大於其承壓銷釘的額定強度時，承壓銷釘被剪斷，洩壓閥打開並使油管中的液體流入洩壓腔，從而導致地面井口壓力表的錶針大幅回擺，以顯示壓力起爆裝置的激發啟動信號。本發明很好地解決了油井加壓起爆施工中及時停止加壓和可靠起爆的問題，不僅杜絕了因加壓不恰當帶來的設備損壞或施工返工等現象，而且還能確定壓力激髮式射孔的起爆壓力和起爆時間，為油氣井壓力激髮式射孔技術研究以及開拓新的應用領域奠定了基礎。
文檔編號E21B43/119GK101270645SQ20081001822
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月16日 優先權日2008年5月16日
發明者娜 徐, 惠寧利, 李以勃, 王秀芝 申請人:中國兵器工業第二一三研究所